یک تريليون کامپیوتر در يك لوله آزمايش!

بيوكامپيوتر
سال 1994 م. دانشگاه كاليفرنياى جنوبى، دانشكده مهندسى كامپيوتر. همه چيز مهيا بود تا دكتر لئوناردو آدلمان، ايده حيرت‏آور خود را مطرح كند؛ ايده‏اى كه مدت‏ها پيش با خواندن كتاب بيولوژى مولكولى ژن، نوشته جيمز واتسون در ذهنش نقش بسته بود و حالا مي‏رفت تا از يك جرقه ذهنى به پروژه‏اى جدى در مراكز تحقيقاتى پژوهشى جهان تبديل شود.
لئوناردو آدلمان توانست توانايى مولكول DNA را در حل مسائل پيچيده رياضى به اثبات رساند. نتايج اين تحقيقات كه در ژورنال Science (آگوست 1994 م.) براى اولين بار منتشر گرديد، جهان را شگفت‏زده نمود. به طورى كه انجام محاسبات در سطح مولكولى و با كمك مولكول حيات، يعنى DNA سرآغاز تحولى تاريخى در عرصه محاسبات و پيدايش نسل جديد كامپيوترهاگرديد. آدلمان به كمك تكنيكى جالب توانست براى يكى از مشهورترين مسائل محاسباتى، يعنى مسئله مسير هاميلتونى - - (HP/ Hamiltonian Path Directed) يا همان مسئله فروشنده - دوره‏گرد (TSP/ Traveling Salesman Problem )- راه حلى پيدا كند.
مسئله از اين قرار بود كه يك فروشنده فرضى سعى داشت تا بهترين مسير را در عبور از يك سرى شهر انتخاب كند؛ به طورى كه مي‏بايست از هر شهر تنها يك بار عبور كند و البته از همه شهرهاى مورد نظر نيز بگذرد.
آدلمان، اين مسئله را براى هفت شهر مورد نظر حل كرد. هرچند حل اين مسئله با هفت شهر، به آسانى و حتى بر روى كاغذ هم قابل حل است؛ اما چنان چه تعداد شهرها افزايش يابد، مسئله بسيار دشوار شده، در نهايت به چندين سال زمان براى حل مسئله نياز خواهيم داشت. اهميت ايده آدلمان را مي‏توان اين گونه بيان داشت:
1. تشريح امكان استفاده از مولكول DNA در حل مسائل كلاسيك رياضى كه به كمك روش‏هاى مرسوم محاسباتى غيرممكن مي‏نمود.
2. انجام محاسبات در سطح مولكولى و رفع موانع كوچك‏سازى قطعات الكترونيكى در صنعت
نيمه‏هادي.
3. اثبات جنبه منحصر به فرد بودن DNA، به عنوان يك ساختمان داده‏اي.
4. اثبات اين كه DNA به روش پردازش موازى، محاسبات را انجام مي‏دهد.
DNA جاي‏گزينى براى سيليكون‏
مطابق قانون مور (1(Moor Law هر 18 ماه، تعداد قطعات الكترونيكى موجود در تراشه‏هاى كامپيوترى (Chip) دو برابر مي‏شود و سرعت نيز چند برابر افزايش مي‏يابد. از طرفى هر روز شاهد كوچك‏تر شدن وسايل الكترونيكى هستيم؛ اما بالاخره سرعت فيزيكى و كوچك‏سازى براى ريزپردازنده‏هاى (Microprocessor) سيليكونى (نيمه‏هادى به كار رفته در ساخت مدارهاى الكترونيكى) به پايان خواهد رسيد؛ به طورى كه از نظر ساخت كارخانه‏اى با مشكل روبه‏رو خواهيم شد.
تراشه‏سازان، سال‏هاست كه به دنبال جاي‏گزينى براى سيليكون هستند كه اين جاي‏گزينى، همان مولكول DNA موجود در سلول‏هاى ارگانيسم زنده است؛ منبعى فراوان و ارزان كه بر خلاف مواد سمى ريزپردازنده‏هاى رايج، از نظر مسائل زيست محيطى، منبعى پاك محسوب مي‏شود. از طرفى مطابق نظريه دانيل ايلى، مولكول DNA همانند يك سيم مولكولى، هادى جريان الكترون‏هاست.
DNA چيست و چه ارتباطى با سيستم‏هاى كامپيوترى دارد؟
همان گونه كه اشاره شد، آدلمان، رياضي‏دان و دانشمند علوم كامپيوتر، با مطالعه كتاب بيولوژى مولكولى واتسون و بررسى ساختار DNA در مدل واتسون - كريك (آوريل‏1953م.) توانست به عمل‏كرد مشابه مولكول DNA و سيستم‏هاى كامپيوترى پى ببرد.
نكات برجسته مدل واتسون - كريك را در عبارات زير مي‏توان خلاصه كرد:
1. مولكول 2 DNA مارپيچى دوگانه است و براى تجسم اين مارپيچ، «ستون فقرات» متناوبى از گروه‏هاى فسفات و قند را در نظر بگيريد كه حول يك استوانه فرضى بلند، پيچيده شده باشد؛ اين يكى از رشته‏هاى مارپيچ دوگانه است.
در مارپيچ DNA، دو رشته وجود دارد كه توسط بازهايى كه بيرون از رشته‏ها به سمت مولكول قرار دارند، با تشكيل پيوندهاى شيميايى ضعيف يكديگر را نگه مي‏دارند.
2. در DNA، چهار نوع نوكلئوتيد (واحد ساختارى DNA)وجود دارد كه عبارتند از آدنين(A)، تيمين(T)، سيتوزين(C) وگوانين(G). بر طبق مدل مذكور، ميزان آدنين و تيمين برابر است؛ زيرا بازهاى آدنين در يكى از دو رشته،هميشه به تيمين رشته مقابل مي‏پيوندد. به طور مشابهى ميزان گوانين با سيتوزين نيز برابر است؛ زيرا دو باز در مولكول DNA، همواره به هم پيوند مي‏خورند. از اين‏رو، اگر دو رشته مولكول DNA با شكستن پيوندهاى بين بازها جدا شوند، هر رشته تمام اطلاعات لازم جهت سنتز رشته مقابل را فراهم مي‏كند. توانايى خود همانندسازى DNA، قابليتى است كه هر مولكول فرضى به عنوان ماده ژنتيكى بايد آن را داشته باشد. DNA نيز اين گونه است؛ به طورى كه با جدا شدن هر دو رشته مارپيچ از هم و سپس الگو قرار دادن هر رشته براى سنتز رشته جديد، همانندسازى مي‏كند. مهم‏تر اين‏كه مدل واتسون - كريك نشان داد كه اطلاعات ژنتيكى به نحوى در رديف بازهاى مولكول DNA رمزشده است؛ درست و همانند آن چه كه در كامپيوترها اتفاق مي‏افتد؛ يعنى ذخيره داده‏ها به صورت رشته‏هاى دودويى (Binary) متشكل از دو رقم 0 و 1 مي‏باشد.
يك رقم دودويى، بيت (Bit) خوانده مي‏شود. اطلاعات در كامپيوترهاى ديجيتال، به وسيله گروه‏هايى از بيت نشان داده مي‏شوند. با استفاده از تكنيك‏هاى كدگذارى، بيت‏ها نه تنها براى نمايش اعداد دودويى، بلكه براى ساير سمبل‏هاى گسسته، همچون ارقام ده‏دهى و يا حروف الفبا نيز به كار برده مي‏شوند.
با استفاده صحيح از مجموعه‏هاى دودويى و به كارگيرى روش‏هاى مختلف كدگذارى، مي‏توان گروه‏هاى بيت‏ها را براى ساخت مجموعه‏هاى كامل دستورالعمل‏ها جهت انجام محاسبات به كاربرد. در مباحث علوم كامپيوتر، داده‏ها را به طرق مختلفى سازماندهى مي‏كنند. مدل منطقى يا رياضى يك سازمان معين براى داده‏ها را اصطلاحاً ساختمان داده‏ها مي‏نامند. ساختمان داده‏ها، در واقع به گونه‏اى است كه مي‏توان داده‏ها را در چارچوب آن ساختمان پردازش نمود. جالب است بدانيم كه يك رشته DNA رمزگذارى شده با چهار باز A, T, C, G و با فاصله‏اى حدود 35/0 نانومترى نوكلئوتيدها از هم، يك ساختمان داده‏اى منحصر به فرد است. از سويى ديگر، تراكم داده‏اى DNA يا همان حجم اطلاعاتى كه مي‏تواند در خود نگه دارد، درمقايسه با كامپيوترهاى امروزى، فوق‏العاده است. اين در حالى است كه بيش از 10 تريليون مولكول DNA در يك سانتي‏متر مكعب (06/0 اينچ مكعب) جاى مي‏گيرد. با اين حجم از DNA مي‏توان 10 ترا بايت (1000 گيگا بايت) اطلاعات را ذخيره نمود و 10 تريليون محاسبه را در يك لحظه به انجام رساند. همچنين يك گرم DNA خشك كه تقريباً به اندازه نصف يك حبه قند است مي‏تواند اطلاعات يك تريليون CD را در خود ذخيره كند. تراكم مؤثر DNA حدود 100000 بار،بيشتر از هارد ديسك‏هاى مدرن است. آدلمان با استعدادى كه داشت، پى برد كه DNA در طبيعت، همانند ماشين تورينگ عمل مي‏كند. ماشين تورينگ كه به ياد رياضي‏دان انگليسى Alan Turing نام‏گذارى شده است، يك آتاماتون است و آتاماتون يك مدل انتزاعى از كامپيوتر مي‏باشد. حافظه موقت ماشين تورينگ، نوار است. اين نوار به سلول‏هايى تقسيم شده است كه هر يك از آنها قادر به نگه‏دارى يك علامت است.
در ارتباط با نوار، يك هد خواندن و نوشتن وجود دارد كه مي‏تواند به راست و چپ حركت كند و در هر حركت، يك علامت بخواند. ماشين تورينگ، فايل ورودى و يا مكانيزم خروجى مشخصى ندارد. هر نوع ورودى و يا خروجى، به واسطه نوار انجام مي‏شود و داشتن فايل ورودى و خروجى، تغييرى در نتيجه به وجود نمي‏آورد. طبق ايده آدلمان و تحقيقات گسترده پروفسور 3 shapiro، مولكول DNA همانند ماشين تورينگ، اطلاعات را پردازش كرده، آنها را به صورت يك توالى يا فهرستى از علائم، ذخيره مي‏كند. از اين رو، دانشمندان براى ساخت نانوكامپيوتر در پى جاي‏گزينى ريزپردازنده‏هاى سيليكونى با مولكول DNA هستند.
نانوكامپيوتر، عبارت است از يك كامپيوتر با مدارهاى بسيار كوچك كه تنها توسط يك ميكروسكوپ ديده مي‏شوند. نانوكامپيوترها مي‏توانند به صورت‏هاى زير طراحى شوند: الكترونيكى؛ كه در آن از فنّاورى نانوتكنولوژى براى ساخت مدارهاى ميكروسكوپى استفاده مي‏شود. ارگانيك يا بيوشيميايى؛ همانند كامپيوترهاى DNA. كوانتومى؛ كامپيوترهاى كوانتومي.
نانوكامپيوترها با موادى در ابعاد مولكولى سر و كار دارند و نويدبخش ساخت كامپيوترهاى بسيار كوچك و سريع‏تر هستند. از سرى كامپيوترهاى در ابعاد نانو، كامپيوترهاى DNA مي‏باشند كه تركيبى از مولكول DNA به همراه آنزيم‏هاى پردازش مولكول و چند قطره آب مي‏باشند. ورودى، خروجى و برنامه نرم‏افزارى ماشين مذكور، همگى از مولكول DNA ساخته شده‏اند. در طبيعت آنزيم‏هايى وجود دارد كه مولكول DNA را \\"cut\\" مي‏كنند. آنزيم‏هايى هستند كه عمل \\"paste\\" انجام مي‏دهند و آنزيم‏هايى براى \\"copy\\" و نيز آنزيم‏هايى براى تعمير \\"repair\\" مولكول
DNA وجود دارند و حتى چيزى فراتر از اينها و هماU! †ند يك واحد پردازش مركزى كامپيوتر (CPU) وجود دارد كه داراى يك سرى از اعمال پايه، نظير عمليات جمع (4(add، انتقال بيتى (bit-shifting) و عمل‏گرهاى منطقى (AND-OR-NOT-NOR) است كه به ما اجازه بسيارى از محاسبات
پيچيده را مي‏دهند. نكته حائز اهميت اين است كه اعمال فوق، تنها در يك لحظه و به صورت موازى صورت مي‏گيرد.
پردازش موازى، چه نوع پردازشى است؟
پردازش موازى به معنى به كارگيرى تكنيك‏هاى متنوع در پردازش همزمان داده‏هاست كه به منظور افزايش سرعت و محاسبات سيستم‏هاى كامپيوترى مورد استفاده قرار گرفته‏اند. يك سيستم پردازش موازى، به جاى پردازش متوالى دستورات (خطى)، قادر است پردازش همزمان داده‏ها را براى رسيدن به سرعت پردازش بيشتر انجام دهد.
به عبارت ديگر، هدف از پردازش موازى، بالا بردن سرعت پردازش كامپيوتر و افزايش دفعات پردازش درطول بازه معينى از زمان است.
افق هاى آينده‏
به كارگيرى مؤثر كامپيوترهاى DNA در كشف سرطان‏هاى ريه و پروستات، در نمونه‏هاىآزمايشگاهى انستيتو weizmann و تلاش‏هاى Ehud shapiro سرپرست تيم متخصصان كامپيوتر و بيوشيمى انستيتو، نويدبخش آينده‏اى روشن براى درمان انواع سرطان و ساير بيماري‏هاى ناشناخته گرديد.به زودى وسايلى با ابعاد مولكولى و با تركيبى از مولكول DNA و آنزيم‏هاى لازم، براى تشخيص علائم شيميايى بيمارى و سپس پمپاژ دارو به موضع مورد نظر، طراحى خواهد شد.
John reif سازنده كامپيوتر مولكولى شخصى در سال 2000 ميلادى در اين زمينه مي‏گويد:
«در آينده ممكن است پزشك به بدن بيمار، تريليون تعداد كامپيوتر تزريق كند. كامپيوترهاى مذكوربه نحوى طراحى شده‏اند كه به وسيله تمركز بر مولكول‏هاى معين، به كشف بيمارى پرداخته، سپس اقدام به رهاسازى مولكول‏هاى ديگرى خواهد نمود؛ مولكول‏هايى كه در فعاليت سلول‏هاى سرطانى مداخله كرده و آنها را تخريب مي‏كنند.اين كامپيوترها به صورت خودكار بوده و نيازى به افزاينده‏هاى شيميايى نخواهند داشت». به گفته (5 shapiro(2001، احتمال تداخل مولكول‏هاى تزريقى با عملكرد سلولى و يا مولكول‏هاى ديگر، از مسائلى است كه بايد مدنظر قرار گيرد؛ زيرا اين تداخل مي‏تواند براى عملكرد كامپيوتر مذكور مضر واقع شود.
تازه‏ترين اخبار نشريه Nature، خبر از ساخت داروهاى نانو (Smart Drugs) مي‏دهد. اين داروها وظيفه متوقف نمودن (fix) بيمارى در موضع مورد نظر را بر عهده داشته، با رهاسازى مولكول‏هاى بيولوژيك، در سلول مورد نظر تغييراتى اعمال مي‏كنند.
در هر صورت، ظهور در ابعاد نانو، رؤيا و شبيه فيلم علمى - تخيلى سفر رؤيايى(1996) نيست كه در آن يك تيم جراحى توسط دستگاهى ويژه، كوچك شده و وارد بدن بيمار در حال مرگ شدند. دانشمندان بر اين باورند كه پيچيدگى ساختار مولكول‏هاى بيولوژيك، اين اجازه را خواهد داد كه كامپيوترهاى DNA بدون نياز به بخش‏هاى الكترونيكى، اعمال خود را انجام دهند.
همان گونه كه قبلاً گفته شد، در يك كامپيوتر 6DNA، از مولكول‏هاى DNA و آنزيم‏ها به عنوان ورودى، خروجى، نرم‏افزار و سخت‏افزار سيستم استفاده مي‏شود. در سال 2003م. به اين كامپيوتر، يك منبع تغذيه نيز اضافه گرديد. اين منبع، انرژى خود را از شكسته شدن مولكول‏هاى DNA تأمين مي‏كند. در اواسط آگوست 2003م. گروه ديگرى از دانشمندان طى مقاله‏اى اعلام كردند كه كامپيوترى بيولوژيك ساخته‏اند كه براى انجام بازى Tic-Tac-Toe (بازى XO در محيط 3*4) طراحى شده است. آنها معتقدند كه اين كامپيوتر، هيچ گاه بازى را به انسان نمي‏بازد.
كاربرد ديگر كامپيوترهاى 7DNA، تخصص در آناليز ژن و به عبارتى، محاسبه تركيبات 8DNA، اجراىواكنش‏هاى شيميايى، جست‏وجو و استخراج نتايج مورد نظر مي‏باشد. كامپيوترهاى DNA، دروازه‏هايى حيرت‏انگيز از ناشناخته‏هاى تركيب علم ژنتيك و دانش مهندسى را فرا روى ما گشوده‏اند و نويدبخش روزهايى خواهند بود كه در آن اثرى از بيماري‏هاى لاعلاج و كشنده نيست. ابزارها و داروهاى نانو، جاي‏گزين معاينات پزشكى شده، به راحتى مراحل درمان را انجامخواهند داد و هر انسان مي‏تواند خود يك پزشك درمان‏گر باشد.
محاسبات نجومى و فضايى در كمتر از چند دقيقه انجام مي‏شود. ظهور كامپيوترهاى DNA، به معنى تحولى تاريخى در صنعت كامپيوتر و پيدايش نسل جديدى از كامپيوترهاست كامپيوترهايى با ابعاد و شكلى بسيار متفاوت با كامپيوترهاي‏متداول امروزي. هرچند ممكن است اين كامپيوترها براى انجام بازي‏ها و يا اجراى يك فايل MP3، چندانكاربردى نداشته باشند، اما به طور حتم توانايى حل مسائل منطقى و استدلالى و مسائل امنيتى و پنهان‏سازى را دارند.
قدم بعدى در استفاده از كامپيوترهاى 9DNA، بررسى برنامه‏نويسى ژنتيكى، الگوريتم‏ها، آتاماتا(ماشين‏هاى خودكار) و طراحى زبان‏هاى سيستم مي‏باشد.
كامپيوترهاى DNA نه رؤيايى در دوردست كه واقعيتى دست يافتنى است. كامپيوترهايى كوچك‏تر از يك قطره آب كه تريليون تعداد از آنها در يك لوله آزمايش جاى مي‏گيرند.